[發明專利]一種鎳基單晶高溫合金籽晶合金的成分設計方法及鎳基單晶高溫合金籽晶合金

有效

• 申請號: 202110053408.5
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112899786B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李樹索;裴延玲;尚勇;胡斌;張志林;宮聲凱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C30B29/52
• 分類號: C30B29/52;C30B11/14;C22C19/05
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王術娜

本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金籽晶合金的成分設計方法及鎳基單晶高溫合金籽晶合金，屬于單晶高溫合金制備技術領域。本發明所述成分設計方法所得鎳基單晶高溫合金籽晶合金能與鎳基單晶高溫合金的母合金保持高度的匹配性，使兩者晶格常數差不超過1.5％；本發明所述鎳基高溫合金籽晶與其所生長的單晶合金在相同溫度梯度下的枝晶間距不超過50μm，能夠減小籽晶和單晶母合金之間的界面能，并減小單晶中各元素在枝晶間的偏析，有效提高了籽晶外延生長速率與單晶高溫合金組織的致密性和均勻性；本發明所制備的鎳基單晶高溫合金籽晶合金與母合金的液相線溫度相差不超過20℃，有效降低了因籽晶回熔產生的雜晶，從而防止單晶制備失敗或取向偏離的概率。

技術領域

本發明涉及單晶高溫合金制備技術領域，尤其涉及一種鎳基單晶高溫合金籽晶合金的成分設計方法及鎳基單晶高溫合金籽晶合金。

背景技術

由于航空發動機渦輪前進口溫度的不斷提高，渦輪葉片等高溫結構件通常采用具有優異高溫力學性能的單晶高溫合金，單晶高溫合金的制備成形通常采用選晶法和籽晶法。選晶法是通過熔融金屬在引晶段大量形核，隨后晶粒在選晶器中相互競爭生長、擇優取向獲得單晶。此方法在目前工業應用較廣，但存在選晶失敗的風險，且難以控制所生長單晶的空間取向。不同取向的單晶高溫合金具有不同的高溫拉伸、高溫持久、蠕變等性能。籽晶法雖成本較之高昂，但理論上能精確控制單晶生長的一次和二次枝晶取向。因此，對于如渦輪葉片等對空間取向要求較高的復雜高溫零部件，通常選用籽晶法來制備成形。

籽晶法制備復雜形狀單晶高溫合金構件時，先將籽晶放置于單晶鑄件型腔底部，再將型腔送入定向凝固爐內使單晶沿籽晶外延凝固生長，以渦輪葉片為例，單晶葉片坯件從上到下依次是冒口、鎳基單晶葉片、過渡段、回熔后的籽晶合金。為控制單晶取向、降低籽晶合金對成形單晶成分的影響，籽晶法通常選取一定期望取向的、與單晶母合金匹配性好的籽晶合金來制備單晶高溫合金。但是，當籽晶合金和母合金成分差異較小，熔融母合金與籽晶接觸時由于熱傳導會導致籽晶部分回熔，籽晶的回熔區容易產生與原取向不一致的雜晶，使單晶制備失敗或偏離預定取向。部分已有專利使用與母合金成分差異較大的籽晶合金來提高兩者之間的液相線溫度差，以期望控制回熔區的形成，但籽晶與母合金的匹配性隨之降低，單晶生長驅動力變大，過冷度提高，可能造成熔融母合金自主形核產生偏離取向的雜晶。此外，籽晶法主要設備是Bridgmen定向凝固，設備可達溫度梯度一般低于50K/cm，制備的單晶凝固界面通常為粗大的枝晶形態，枝晶間距通常大于250μm，組織不夠致密且存在嚴重的微觀偏析。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鎳基單晶高溫合金籽晶合金的成分設計方法及鎳基單晶高溫合金籽晶合金，所得鎳基單晶高溫合金籽晶合金能夠保持與母合金較好的匹配性以提高組織形貌的致密性和均勻性，同時保持與母合金較大的液相線溫度差值以降低回熔對單晶生長的影響。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種鎳基單晶高溫合金籽晶合金的成分設計方法，包括以下步驟：

確定所需制備的鎳基單晶高溫母合金的元素含量、枝晶間距、晶格常數和液相線溫度；

根據所述鎳基單晶高溫母合金的元素含量，以籽晶合金和鎳基單晶高溫合金的晶格常數差≤1.5％、枝晶間距≤50μm和液相線溫度相差≤20℃為基準，計算籽晶合金所需元素的理論質量百分比，得到籽晶合金的元素配比；

根據所述籽晶合金的元素配比，將不同元素對應的合金原料進行熔煉，得到籽晶母合金；

按照所述鎳基單晶高溫母合金的晶體取向，將所述籽晶母合金依次進行切割、選晶和定向凝固，得到籽晶單晶體；

按照所述鎳基單晶高溫母合金的晶體取向，將所述籽晶單晶體進行特定晶體取向切割，得到鎳基單晶高溫合金籽晶合金。